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norbert-walter

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1

Dienstag, 21. August 2018, 21:00

Pinnenpilot DIY

Hallo zusammen,

in diesem Thread wollen wir die Erfahrungen beim Bau eines Pinnenpiloten zusammenfassen. Joern Heinrich hatte seiner Zeit einen elektronischen Autopiloten vorgestellt, erfolgreich umgesetzt und auch als Produkt vertrieben. Leider sind weder seine Webseite aktiv noch kann man über seine Firma etwas bestellen. Scheinbar hat er seine Aktivitäten eingestellt.

Wir wollen hier an seine Arbeiten anknüpfen und Eigenbau- Pinnenpiloten bzw. Autopiloten vorstellen. Thematisch sind wir noch nicht so tief in die Materie eingedrungen und befinden uns erst am Anfang der Entwicklung und wollen hier die Erfahrungen zusammentragen. Aktuelle sind @the_muck:, ich und einige andere am Thema dran. Durch die neuen Entwicklungen in der Elektronik hat sich da einiges getan und lässt einen Eigenbau-Pinnenpiloten mit verhältnismäßig geringem Aufwand in greifbare Nähe kommen. Ob dann ein Produkt daraus entstehen kann, bleibt erstmal offen. Primär geht es um Elektronik, Software und praktische Versuche.

Im Thread Arduino und Segeln wurde der Pinnenpilot von @the_muck: neben anderen Arduino- Projekten aufgeführt und der Stand der Entwicklung dargestellt. Mit diesem Thread soll das Thema hier weiter geführt werden.

Anregungen, Tipps und Gedanken sind herzlich willkommen.

Norbert

txg

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2

Dienstag, 21. August 2018, 21:11


Anregungen, Tipps und Gedanken sind herzlich willkommen.


Dann will ich mal, ich hoffe das kommt jetzt nicht zu destruktiv rüber:
Die elektrotechnische Seite ist m.E. ziemlich trivial. Eine H-Brücke gibts beim Chinamann für ein paar Euro, Ströme, Spannungen und geforderte Geschwindigkeiten sind gering.
Von der Rechenleistung her reicht auch der kleinste heutzutage verfügbare Mikrocontroller aus. Sensorboards gibt es auch fertig und günstig zu kaufen. Relativ wenig spannend.

Bei der Software ist eine einfache Regelung schnell implementiert, hier kann man sich dann aber weiter austoben. Da ist sicherlich viel Optimierungspotential auf das eigene Boot und das aktuelle Wetter vorhanden.

Das trifft aber alles m.E. nicht das Grundproblem der ganzen Autopilotengeschichte, nämlich die mechanische Komponente. Wer mal einen handelsüblichen Pinnenpilot oder Radpilot aufgemacht hat weiß dass die mechanische Auslegung in Anbetracht des Preises eine absolute Unverschämtheit ist. Plastikzahnrädchen und ein Mabuchi 540 für 99ct, und das ganze noch unzureichend abgedichtet. Hier anzusetzen und einen starken, ausdauernden und dauerhaft seewasserfesten Linearantrieb für einen akzeptablen Preis zu entwickeln wäre die große Kunst. Im Idealfall noch mit elekrisch betätigter Kupplung so dass der Antrieb dauerhaft unter Deck installiert werden kann.

Für eine Radsteuerung finde ich den Ansatz des pypilot mit Scheibenwischermotoren ziemlich gut. Die gibt es so günstig dass man sich einfach einen oder zwei als Ersatz aufs Boot legen kann und es sind Industriemotoren die für dauerhafte Belastung ausgelegt sind. Nur mit der Seewasserfestigkeit hapert es...

norbert-walter

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3

Dienstag, 21. August 2018, 21:33

@txg:

Na ja, ganz so einfach ist das nun auch wieder nicht. Allein die günstig verfügbaren Einzelkomponenten machen noch keinen funktionierenden Pinnenpiloten. Da gehört schon noch mehr dazu. Du hast aber schon recht, dass die benötigte Hardware für kleines Geld zu bekommen ist. Daher auch die Idee das Thema als DIY- Projekt anzugehen. Wer einen Pinnenpiloten aufgemacht hat, weiß dass da nicht viel drin ist. Von der Hardware her ist das Teil höchstens 70 Euro Wert. Das Know How steckt in der Firmware und einer guten Mechanik. Und daran hapert es m.M nach bei den käuflichen Teilen.

Meine Anforderungsliste würde so aussehen:

* abgesetzter Kompass mit Funkübertragung zur Controllereinheit
* wasserdichter, industrietauglicher Aktuator (Linearaktuator für Pinne, Dreheinheit für Radsteuerung)
* Controllereinheit mit NMEA drahtgebunden und drahtlos
* geringer Stromverbrauch
* leise Arbeitsweise
* Anbindung an NMEA0183, NMEA2000
* einstellbare Regelparameter
* updatefähige Firmware
* bedienbar über App oder Webseite
* Projekt als OpenSource

Wichtig wäre mir die Aufteilung in drei Einheiten:
* Kompass- und Lagesensor
* Controllereinheit
*Aktuator

Bei dieser Anordnung wäre nur der Aktuator draußen. So wäre man universell in der Anwendung und kann sich an jede Situation im Boot anpassen. Joern hatte es genau so gemacht und das nicht ohne Grund.

Die Hauptarbeit wird vermutlich in der Firmware liegen, um die richtigen Regelstrategien einzubauen und zu testen. Joern hat da eine Menge Arbeit reingesteckt und die Sache physikalisch sehr grundlegend angepackt. Ob man das auch so machen sollte, weiß ich nicht. Das ganze Thema Pinnenpilot ist ein schönes Thema für den Winter und wird bestimmt Spaß machen.

Norbert

4

Donnerstag, 23. August 2018, 07:49

https://www.tindie.com/products/onehorse…-motion-sensor/

Den Sensor hab ich auch noch gefunden...

5

Donnerstag, 23. August 2018, 10:34

Interressantes Thema.
Ich finde es aber nach wie vor wichtig beides zu haben. Wir haben bei uns einen mechanischen Windpiloten und einen elektrischen.
Der elektrischen nehm ich eigentlich nur zum motoren bei Flaute. Ich trau den Dingern nicht so sehr. Wie schon txg schrieb ist das Innenleben
solcher Teile meist naja, und das hat sich auch bestätigt.

Diesen Sommer musste ich auf der Biskaja nach einem Tag das Ding in die Ecke legen und die Flauten selbst steuern.
Da war ich froh das der mechanische funktionierte, wenn auch dann erst bei Wind.
Hier nochmal ein Dank an Jörn Heinrich und seine Ausführungen im Internet ,denn ich hatte den mechanischen auch selbst gebaut, nach seinem bzw. Walt Murray Prinzip.
Gruß Ralph

Löhni

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6

Donnerstag, 23. August 2018, 10:43

in diesem Thread wollen wir die Erfahrungen beim Bau eines Pinnenpiloten zusammenfassen. Joern Heinrich hatte seiner Zeit einen elektronischen Autopiloten vorgestellt, erfolgreich umgesetzt und auch als Produkt vertrieben. Leider sind weder seine Webseite aktiv noch kann man über seine Firma etwas bestellen. Scheinbar hat er seine Aktivitäten eingestellt.

Habe zwar schon längere Zeit nichts mehr von Ihm gelesen, aber theoretisch ist er hier im Forum noch aktiv. Vielleicht meldet er sich ja, wenn man ihn ruft.
@Heinrich-Der-Seefahrer: Wie geht es dir?
Gruß,
Jan

Lieber Wasser unterm Kiel :segeln:, als Kiel unter Wasser :tit:

7

Donnerstag, 23. August 2018, 10:57

in diesem Thread wollen wir die Erfahrungen beim Bau eines Pinnenpiloten zusammenfassen. Joern Heinrich hatte seiner Zeit einen elektronischen Autopiloten vorgestellt, erfolgreich umgesetzt und auch als Produkt vertrieben. Leider sind weder seine Webseite aktiv noch kann man über seine Firma etwas bestellen. Scheinbar hat er seine Aktivitäten eingestellt.

Habe zwar schon längere Zeit nichts mehr von Ihm gelesen, aber theoretisch ist er hier im Forum noch aktiv. Vielleicht meldet er sich ja, wenn man ihn ruft.
@Heinrich-Der-Seefahrer: Wie geht es dir?

Besser Du gehst bei sowas über die Mitgliedersuche: https://www.segeln-forum.de/index.php?form=MembersSearch

Dann stellst Du auch fest, dass er seit über nem Jahr hier nicht mehr aktiv war. Wobei ich neulich noch auf seiner Website war. Vielleicht wird die ja auch nur aktualisiert.

"What 'n Drama mit dem Karma"
(by me, myself & I)

8

Donnerstag, 23. August 2018, 10:59

Je nach Bootsgröße ist es halt weniger elegant eine Windfahne zu montieren ;). Alternativ gibt es ja auch, wie für die Mini650, kleine Hydraulik Systeme die weniger anfällig sind. Oder eben einen Jefa antrieb. Aus der Industrie gibt es auch V4A Motoren... Ich hätte auch lust einen Antrieb mit Geber zu entwickeln, aber wie bei den Alternativen ist man nicht immer bereit die scheine auf den Tisch zu legen ;). Jörn hat ja gezeigt das man die Arbeit des Piloten durch bessere Elektronik / Regel Algorithmen erheblich reduzieren kann und damit auch die Langlebigkeit der Mechanik...

Ich glaube im anderen Thread wurde Jörn schon mal gerufen, ich hoffe es geht im gut und er hat sich nur Digital zurück gezogen.

norbert-walter

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9

Donnerstag, 23. August 2018, 11:07

@the_muck:

AHRS-Sensoren gibt es jede Menge am Markt. Ist nur die Frage welcher wirklich gut ist. So wie ich das gesehen habe gibt es speziell aus China viele verschiedene AHRS-Sensoren. Die meisten nehmen I2C-Lage- und Magnetfeldsensoren und kombinieren das mit einem Microcontroller der die Einzeldaten fusioniert und absolute Euler-Daten ausgibt. Die eigentliche Fusion wird per Software im Microcontroller gemacht und die fertigen Daten aus einer seriellen Schnittstelle ausgegeben. Im Grunde genommen hat man keinen Einfluss auf die Qualität der Software. Da es verschiedene Software-Revisionsstände gibt, deutet vieles darauf hin, dass die Software teilweise bugy ist oder irgend welche Probleme aufwies, die man beheben musste. Man kann natürlich auch die Fusion selber berechnen, das ist aber ein nicht unerheblicher Aufwand, den man sich eigentlich ersparen möchte.

Mein GY953 läuft jetzt und gibt brav mit 50Hz die Lagedaten als NMEA0183 Telegramm per WLAN aus (Heading, Pitch, Roll). Bis 200Hz wären möglich. Damit könnte man ein Fluxgate ersetzen bzw. das wäre dann der Kompass.

Einfache PiPis verwenden nur die Kompassdaten zur Steuerung und haben daher Probleme bei achterlichen Winden und Welle, weil sie den Pitch und Roll nicht berücksichtigen. Ich meine in Joerns Controllereinheit wurden auch diese Daten mit berücksichtigt. Das ist nämlich wichtig. In wie weit das bei Profiprodukten der Fall ist, weiss ich nicht. Ich vermute mal, dass die das auch tun.

@Ralph620:

Der Aktuator zur Ansteuerung ist für die Langlebigkeit entscheidend. Daher würde ich nur Industrieprodukte einsetzen, die wesentlich robuster als diese einfachen Mechaniken sind. Da gibt es in großer Auswahl für jeden Anwendungsfall den richtigen Linearantrieb.Mir würden folgende Antriebe vorschweben:

https://www.ebay.de/itm/Linear-Actuator-…kgw-8qlnDuxkzRg

Die sind IP65 tauglich und damit für den Außeneinsatz geeignet. Bei einem Preis um die 50 Euro kann man es auch schnell gegen ein neues Modell ersetzenfalls es mal kaputt geht. Zudem lässt sich der Antrieb sehr gut in Länge und Kraft an das eigene Boot anpassen. Solche Art von Antrieben setzen wir selber in unserer Firma für unsere Produkte ein. Die sind für den Preis qualitativ hochwertig und sollten auch beim Pinnenpilot geeignet sein.

Norbert
»norbert-walter« hat folgende Datei angehängt:

10

Donnerstag, 23. August 2018, 11:11

"Operating frequency:20%"

Könnte für einen AP knapp werden. Ansonsten spannendes Projekt. :good2:

Edit: wohl auch zu langsam: "5,7mm/s"
Gruß, Norman

11

Donnerstag, 23. August 2018, 11:19

Deswegen verlinkte ich ja zu einem wohl weiteren guten und bezahlbaren AHRS ;), und im Link stehen ja quasi deine Erläuterungen.

Zitat

Why did you make it?
The trend in motion sensors is to offload the calibration, slave sensor management, and sensor data fusion functions from the host microcontroller to a processor embedded with the MEMS sensors and ASIC circuitry. The first of these new embedded motion sensors was the MPU6050, and the latest Invensense flagship motion sensor, the MPU9250, retains the embedded Digital Motion Processor or DMP. The drawback is that the binary firmware has to be loaded into the host microcontroller's flash memory, and the DMP can only handle 6-axis sensor fusion; 9-axis fusion still has to be done in software. The Max21100 is a 6-axis motion sensor with an embedded Motion Merging Engine that combines its own gyro/accel data with that of a slave magnetometer and performs 9-axis hardware sensor fusion resulting in quaternions and AHRS orientation that can be directly read from its registers by the host microcontroller with no host-based firmware. Unfortunately, Maxim just exited the MEMS sensor business. The most advanced example of this trend is Bosch's BNO055 9-axis motion sensor with an embedded Cortex M0 ARM processor that also performs 9-axis sensor fusion on the motion sensor data without the need for an external slave sensor or uploading of any firmware to the host. This might seem like the ideal solution but the EM7180 SENtral claims to use 1% of the power required by Cortex M0 hardware sensor fusion engines running less robust sensor fusion algorithms and features continuous auto-calibration, immunity from magnetic interference, and 2 degree heading accuracy by using patented, "best-in-class" Kalman filter algorithms. Which is the best motion sensor solution? Of course, that depends on your specific application. With the expanding selection of relatively inexpensive but sophisticated motion sensor solutions available, one of them is bound to be right for you!


https://www.xsens.com/tags/ahrs/

Ich denke solche Sensoren werden bei den "Profi Systemen" eingesetzt, aber auch für DIY nicht zu bezahlen...

Die China Linearmotoren verwende ich ja erstmal, aber Ideal ist das nicht, die Alternativen sind leider alle sehr teuer :/

norbert-walter

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12

Donnerstag, 23. August 2018, 11:23

@Spaßbremse:

Genau diese Linearantriebe würde ich nicht nehmen. Es gibt auch schnellere Versionen. Es ging mir nur um den Typ ansich. Da sind die sich alle ziemlich ähnlich. Mit der Spindelsteigung kann man die Geschwindigkeit auswählen. Allerdings verringert sich die Kraft bei höherer Geschwindigkeit. Alternativ kann man den Angriffspunkt am Ruder näher an die Drehachse bringen. Dann benötigt man nicht so hohe Geschwindigkeiten, jedoch mehr Kraft und das können die Linearantriebe in ausreichendem Maße.

@the_muck:

Da taucht auch wieder GPS auf. Irgendwie komisch, oder? Nur netter verpackt als "GPS enhanced AHRS".

Warum sollen die Antriebe nicht "ideal" sein?

Norbert

13

Donnerstag, 23. August 2018, 11:37

Warum komisch? Steht doch da warum :O

Zitat

GPS enhanced AHRSs:
To improve the AHRS performance under long-lasting accelerations and under conditions with severe magnetic disturbance, Xsens offers the MTi-G-710 GPS/INS.


Weil man je nach Umfeld und Anwendung wohl gerne schaut ob etwas die Referenz stark stört, in dem fall das Magnetfeld. Ob man es auf Booten braucht darf der Anwender entscheiden.


Du kannst so einen Motor ja mal in die Hand nehmen. Wertig ist das eben nicht, dazu die schon bemerkten 20% Duty Cycle.

https://www.tolomatic.com/products/produ…der-replacement

Das ist die Industrie Klasse... mit Kugelumlaufmutter. Aber Auch das will der gemeine Segler wohl nicht bezahlen :D. Jefa wählte den Ansatz über das Zahnstangen Prinzip und Planeten Getriebe, dadurch können die das System sauber auskuppeln.

https://www.youtube.com/watch?v=mYN3IQdaV_Q

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »the_muck« (23. August 2018, 12:08)


norbert-walter

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14

Donnerstag, 23. August 2018, 13:43

@the_muck:

Nee, das war mir schon klar mit dem GPS wofür sie es brauchen. Die Magnetsensoren müssen ja extrem empfindlich sein, um das Erdmagnetfeld messen zu können. Die Dose Bier an der Steuersäule beeinflusst da auch deutlich den magnetischen Kompass. Ganz zu schweigen von den praktischen Lautsprechern in der Plicht. Das sind alles Störgrößen. Laut Bechreibung meines AHRS-Sensors kann er Störfelder erkennen und selbständig kompensieren. Beim Einschalten wird die Stärke des umgebenden Magnetfeldes gemessen und geprüft, ob die Feldstärke zum Erdmagnetfeld passt und ob kein Störsignal überlagert ist. Wenn Störfelder erkannt werden, so werden diese eliminiert. Wie das genau geht, wird leider nicht beschrieben. Bei magnetischen Wechselfeldern wie sie von Elektromotoren ausgesendet werden könnte ich mir vorstellen, dass sie da schlicht einen Tiefpassfilter eingebaut haben, so dass hohe Frequenzen nicht durchkommen. Wie dann aber das evtl. verzogene Magnetfeld korrigiert werden kann, bleibt fraglich. Wenn das nur zeitweise und sprunghaft auftritt, könnte man die Verzerrung korrigieren, da man ja den Ursprungszustand kennt.

Nochmal zu den Linearaktoren. Die sind zwar auch simpel aufgebaut, jedoch völlig brauchbar. 20% Duty Cycle ist auch ok. Das bezieht sich nur auf die Erwärmung des Motors bei Maximallast. Das könnte man mit einer gescheit dynamisch eingestellten PWM-Ansteuerung des Motors in den Griff bekommen. Und selbst wenn, dann wird das Ding halt nur warm. Joern hatte in seiner Simulationssoftware Diagramme zum Verlauf der Steuerwinkel. Die 20% Duty Cycle werden nur ein Problem in der Welle bei achterlichen Kursen, wenn das boot ständig hin- und hergiert. Amwind oder unter Motor sehen ich überhaupt keien Probleme. Zur Not kann man auch noch ein geeignetes Kühlblech drumbauen.

Die Linearaktoren sind jedenfalls besser als die kommerziellen Teile. Ob man nun noch qualitativ besser Linaraktuatoren benötigt, sei mal dahingestellt. Falls notwendig tauscht man sie halt gegen ein besseres Modell. Das wäre ja kein Problem. Daher liegt mir sehr daran das ganze System modular aufzubauen. So kann man die Komponenten besser skalieren und ggf. auch gegen was besseres tauschen. Ich würde fürs Erste mit diesen Linearaktuatoren anfangen und dann schauen wie es läuft.

Norbert

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15

Donnerstag, 23. August 2018, 13:55

Besser Du gehst bei sowas über die Mitgliedersuche: https://www.segeln-forum.de/index.php?form=MembersSearch

Dann stellst Du auch fest, dass er seit über nem Jahr hier nicht mehr aktiv war.

Habe ich gemacht, und auch gesehen. Aber wenn man jemanden mit @TrampMuc: anschreibt, dann bekommt die Person (je nach Profileinstellung) eine E-Mail, die darüber informiert, dass man im Forum direkt angesprochen wurde.
Und vielleicht führt diese Mail ja dazu, dass sich Jörn hier mal wieder blicken lässt.
Gruß,
Jan

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Donnerstag, 23. August 2018, 14:16

@Heinrich-Der-Seefahrer:

Das wäre echt klasse, wenn sich Joern hier mal melden würde. Er hat die meiste Erfahrung. Es wäre echt schade drum, wenn er nicht mehr verfügbar wäre.

Norbert

17

Donnerstag, 23. August 2018, 15:11

Es wäre echt schade drum, wenn er nicht mehr verfügbar wäre.
Ich bin auch gespannt, ob man von ihm hört. Seine Internetpräsenzen jedenfalls sind abgeschaltet.
:S Gesendet von meinem MBA200 mit Freischnack und Vario

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18

Donnerstag, 23. August 2018, 19:38

@all

hier wird auch bei einem kommerziellen Pinnenpiloten eine Chinaprodukt verwendet:

Pypilot

Scheint also doch nicht so untauglich zu sein.

Norbert

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Donnerstag, 23. August 2018, 21:52

@all:

Heute Abend habe ich den AHRS-Sensor GY953 mal etwas getestet. Er kann auf ca. 1...2° genau den Kompass halten. Nach dem Wiedereinschalten steht er auch wieder auf dem alten Wert. Das ist schon mal gut. Dann habe ich ihn mal mit Metallteilen gestört. Und siehe da, er ließ sich so gut wie nicht beeindrucken. Nur bei ganz großen schnellen Annäherungen von großen Metallteilen gibt es einen Sprung und dann läuft der Wert wieder auf den ursprünglichen Wert. Also ist eine Art Störfelderkennung und Eliminierung eingebaut. Nähert man sich langsam den Sensor, so gibt es keine Beeinträchtigung. Mein mechanischer Refernzkompass direkt daneben, zeig aber deutlich um 10° daneben an. Es ist schon erstaunlich, dass er diese Störungen unterdrücken kann.

Ab und zu wird mal kurz für wenige ms die Datenübertragung gestoppt und läuft dann wieder weiter. Scheinbar läuft dann eine kurze Kalibrierung des Sensors. Es kann aber auch sein, dass es an der WLAN-Übertragung liegt. Beim Einschalten benötigt er ca. 1s für die Initialkalibrierung.

Mal schauen, wie er sich im Dauertest schlägt.

Norbert

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Freitag, 24. August 2018, 18:49

@all:

Ich habe ein wenig mit dem AHRS weiter getestet. Über Nacht lief der Sensor problemlos. Die Aussetzer in der Datenübertragung lag an meiner Software und an der WLAN-Übertragung. Es sind also keine Aussetzer vom Sensor selbst. Nach einigen Verbesserungen an der Software werden die Telegramme sauber zeitkonstant versendet. das ist wichtig, damit es in der Regelung keine Sprünge gibt. Ich würde mich als erstes um den Sensor kümmern, bis er richtig funktioniert. Dann kann man das Teil auch in andere Anwendungen integrieren. Über NMEA0183 läuft er schon. NMEA2000 wäre der nächste Schritt und dann evtl. noch ein GPS dazu, der die Kompass-Richtung notfalls korrigieren kann.

Für die Regelung wäre das nicht unbedingt notwendig, wenn im NMEA-Netz schon ein GPS die Daten einspeist. Dann könnte man auch gleich die nehmen. So wird es ja auch teilweise bei den kommerziellen Produkten gemacht.

Nach einiger Überlegung meine ich, dass man ein GPS-Signal benötigt, um auch die Missweisung korrigieren zu können. Bei einfachen PiPis gibt es noch nicht einmal eine Gradanzeige. Die regeln nur auf den relativen Wert auf den man den PiPi eingestellt hat. Das ist eigentlich auch völlig ausreichend, wenn man die Richtung manuell vorgibt und dann den PiPi einschaltet. Der hält dann einfach nur noch die Richtung, mehr nicht.

Norbert

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